JP5673014B2 - 位置決め装置、半導体露光装置、組立・検査装置及び精密工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ、液晶パネルなどの平板状基板にパターンを形成するための半導体露光装置、組立・検査装置、精密工作機械などに用いられる位置決め装置に関するものである。

加工・組立・検査対象物などの所謂ワークに対する要求精度の高まりから、当該ワークをステージに搭載し、そのステージを直交２方向に移動し、位置決めする、所謂Ｘ−Ｙテーブルにも高い精度が要求されている。ワーク、即ちステージを直交２方向に自在に且つ高精度に移動させ且つ装置をコンパクトにするためには、ステージを搭載する各軸方向への２つのスライダを上下に階層する必要がある。このように２つのスライダを上下階層構造とした場合、ステージから遠い下方のスライダの運動誤差（真直度）と、ステージに近い上方のスライダの運動誤差（真直度）とが異なる（真直度の干渉ともいう）ため、下記特許文献１に記載される位置決め装置では、例えばステージから遠い下方のスライダとステージとの間に板バネなどのテンション部材を介装し、当該下方のスライダの運動誤差（真直度）を吸収するようにしている。また、下記特許文献２では、ステージが複数のガイド部材を介して移動される場合、個々のガイド部材の運動誤差がステージの移動誤差に及ぼす影響を抑制するため、それらのガイド部材を連結補強部材で連結し、その連結補強部材をステージに連結している。ちなみに、特許文献２では、前記連結補強部材とステージとの間に、移動誤差の影響を吸収するテンション部材を介装している。

特開２００２−１５８２７４号公報 特開２００５−３０２８３８号公報

ところで、前述のように直交２方向への２つのスライダを上下に階層した場合、特に上方のスライダは両端部のみを支持される構造となりやすい。このように両端部のみを支持される上方のスライダの中央部にはステージの質量が作用し、撓みが生じやすい。上方のスライダの撓みが大きくなると、当該上方のスライダに沿ったステージの移動誤差が大きくなる。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、直交２方向への２つのスライダを上下に階層し、下方のスライダとステージとの間にテンション部材を介装した場合に、上方のスライダの撓みを低減して上方のスライダに沿ったステージの移動誤差を小さくすることができる位置決め装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の位置決め装置は、第１方向に沿って互いに平行に設けられた二以上の第１レール部材及び前記第１方向と直行する第２方向に沿って互いに平行に設けられた二以上の第２レール部材を備えた固定部と、前記第１レール部材に沿って移動可能に支持された第１スライダと、前記固定部に対して前記第１スライダを第１レール部材に沿って移動し且つ位置決めする第１位置決め装置と、前記第２レール部材に沿って移動可能に支持され且つ前記第１スライダに対して上方に配設された第２スライダと、前記固定部に対して前記第２スライダを第２レール部材に沿って移動し且つ位置決めする第２位置決め装置と、前記第１スライダ上で前記第２方向に移動自在に支持され且つ前記第２スライダ上で前記第１方向に移動自在に支持されたステージと、前記ステージを支持するために当該ステージと前記第１スライダとの間に介装され且つ当該第１スライダの移動誤差を吸収するテンション部材とを備え、前記テンション部材による前記ステージの支持高さを調整可能としたものである。

また、前記ステージは複数のガイド部材を介して前記第１スライダ上で前記第２方向に移動自在に支持され、前記複数のガイド部材は連結補強部材で連結されると共に当該連結補強部材は前記テンション部材を介してステージに連結され、当該テンション部材の前記連結補強部材への取付高さ又は当該テンション部材の前記ステージへの取付高さを調整することでテンション部材によるステージの支持高さを調整可能としたものである。

また、前記テンション部材によるステージの支持高さは、ステージの質量が大きいほど、支持高さを高くするものである。

而して、本発明の位置決め装置によれば、固定部に対し、第１位置決め装置によって第１スライダを第１レール部材に沿って移動し且つ位置決めし、第２位置決め装置によって第２スライダを第２レール部材に沿って移動し且つ位置決めし、第２スライダを第１スライダに対して上方に配設し、ステージを第１スライダ上で第２方向に移動自在に支持すると共に第２スライダ上で第１方向に移動自在に支持し、ステージを支持するために当該ステージと第１スライダとの間にテンション部材を介装して当該第１スライダの移動誤差を吸収する場合に、テンション部材による前記ステージの支持高さを調整可能としたことにより、第１スライダ上方の第２スライダに係るステージの荷重配分を調整することができ、これにより上方の第２スライダの撓みを低減して上方の第２スライダに沿ったステージの移動誤差を小さくすることができる
また、複数のガイド部材を介してステージを第１スライダ上で第２方向に移動自在に支持し、複数のガイド部材を連結補強部材で連結すると共にテンション部材を介して連結補強部材をステージに連結し、当該テンション部材の連結補強部材への取付高さ又は当該テンション部材のステージへの取付高さを調整することでテンション部材によるステージの支持高さを調整可能としたことにより、複数のガイド部材の個々の移動誤差によるステージの移動誤差を抑制することができると共に、テンション部材に係るステージの荷重配分を調整することで上方の第２スライダに係る荷重配分を調整することができる。
また、テンション部材によるステージの支持高さは、ステージの質量が大きいほど、支持高さを高くすることにより、上方の第２スライダに係る荷重配分を適正に調整することができる。

本発明の位置決め装置の一実施形態を示す平面図である。 図１の位置決め装置の正面図である。 図１の位置決め装置の主要部を示す概略斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の支持部材の平面図である。 図１の支持部材の斜視図である。 図４の連結補強部材の取付状態を示す斜視図である。

次に、本発明の位置決め装置の一実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態の位置決め装置の平面図、図２は、図１に示す位置決め装置の正面図、図３は、図１に示す位置決め装置の主要部の概略斜視図である。
本実施形態の位置決め装置１は、装置の基部となるベース（固定部）１１と、第１スライダ１２を図のＸ軸方向（第１方向）に位置決めするためにベース１１上に設けられた第１位置決め装置１０と、第２スライダ１３を図のＹ軸方向（第２方向）に位置決めするためにベース１１上に設けられた第２位置決め装置２０と、第１位置決め装置１０及び第２位置決め装置２０によって図のＸ軸方向及びＹ軸方向に位置決めされるステージ３０とを備えて構成されている。

また、ベース１１上には、第１スライダ１２を図のＸ軸方向に移動させるためのＸ軸リニアガイドレール（第１レール部材）２２Ａ、２２Ｂが当該Ｘ軸方向に沿って敷設されると共に、第２スライダ１３を図のＹ軸方向に移動させるためのＹ軸リニアガイドレール（第２レール部材）４２Ａ、４２Ｂが当該Ｙ軸方向に沿って敷設されている。
第１位置決め装置１０は、ベース１１に対し、第１スライダ１２をＸ軸方向に移動させる第１位置決め手段としての第１駆動装置１４を備えている。この第１駆動装置１４は、第１スライダ１２の下面（裏面）に固定されたＸ軸ボールネジナット１５と、Ｘ軸ボールネジナット１５に螺合し且つ回転することによってＸ軸ボールネジナット１５をＸ軸方向に移動させるＸ軸ボールネジ軸１６と、Ｘ軸ボールネジ軸１６を回転させるＸ軸モータ１７とを主要な構成としている。

Ｘ軸モータ１７は、ベース１１或いは図示しない実質的に動くことがない部位に固定されている。また、Ｘ軸ボールネジ軸１６とＸ軸モータ１７との間にはＸ軸カップリング１８が介装されている。また、Ｘ軸ボールネジ軸１６のＸ軸カップリング１８の近傍及び反対側には、当該Ｘ軸ボールネジ軸１６を回転可能にベース１１に支持する軸受などのＸ軸ボールネジ軸支持部１９、２１が設けられている。

第１スライダ１２は、Ｙ軸方向に長手な長方形の平面を有し、その中央部には開口部２４が形成されている。また、第１スライダ１２のＹ軸方向両端部下面には、前記Ｘ軸リニアガイドレール２２Ａ、２２Ｂに係合するＸ軸リニアガイドベアリング２３Ａ、２３Ｂが各々２個ずつ設けられている。また、第１スライダ１２のＸ軸方向両端部上面には、前記開口部２４の縁に沿って、後述するステージ３０をＹ軸方向に案内するステージ用Ｙ軸リニアガイドレール２５Ａ、２５Ｂが設けられている。

前記第２位置決め装置２０は、ベース１１に対し、第２スライダ１３をＹ軸方向に移動させる第２駆動装置３４を備えている。第２駆動装置３４は、第２スライダ１３の下面（裏面）に固定されたＹ軸ボールネジナット３５と、Ｙ軸ボールネジナット３５に螺合し且つ回転することによってＹ軸ボールネジナット３５をＹ軸方向に移動させるＹ軸ボールネジ軸３６と、Ｙ軸ボールネジ軸３６を回転させるＹ軸モータ３７とを主要な構成としている。

Ｙ軸モータ３７は、ベース１１或いは図示しない実質的に動くことがない部位に固定されている。また、Ｙ軸ボールネジ軸３６とＹ軸モータ３７との間にはＹ軸カップリング３８が介装されている。また、Ｙ軸ボールネジ軸３６のＹ軸カップリング３８の近傍及び反対側には、当該Ｙ軸ボールネジ軸３６を回転可能にベース１１に支持する軸受などのＹ軸ボールネジ軸支持部３９、４１が設けられている。

第２スライダ１３は、Ｘ軸方向に長手な長方形の平面を有し、その中央部には開口部４４が形成されている。また、第２スライダ１３のＸ軸方向両端部下面には、前記Ｙ軸リニアガイドレール４２Ａ、４２Ｂに係合するＹ軸リニアガイドベアリング４３Ａ、４３Ｂが各々２個ずつ設けられている。また、第２スライダ１３のＹ軸方向両端部上面には、前記開口部４４の縁に沿って、後述するステージ３０をＸ軸方向に案内するステージ用Ｘ軸リニアガイドレール４５Ａ、４５Ｂが設けられている。

なお、第２スライダ１３は、第１スライダ１２に対し、上方向、即ちＸ軸方向及びＹ軸方向に直行するＺ軸方向に、互いに干渉することなく重合する状態に配置されている。
ステージ３０は、略正方形の平面を有し、その中央部に方形の開口部５４が開設されている。また、ステージ３０のＹ軸方向両端部下面には、前記第２スライダ１３に設けられたステージ用Ｘ軸リニアガイドレール４５Ａ、４５Ｂと係合するステージ用Ｘ軸リニアガイドベアリング３２Ａ、３２Ｂが設けられている。また、ステージ３０のＸ軸方向両端部下面は、ステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング（ガイド部材）３１Ａ、３１Ｂを介して前記第１スライダ１２に設けられたステージ用Ｙ軸リニアガイドレール２５Ａ、２５Ｂと係合するのであるが、ステージ３０とステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂとの間には連結補強部材６３が介装されているので、その連結構造について図４〜図６を用いて詳述する。

ステージ３０のＸ軸方向両端部下面にはステージ用板バネ取付部材６２Ａ、６２Ｂが取付けられており、このステージ用板バネ取付部材６２Ａ、６２Ｂに板状のテンション部材６１Ａ、６１Ｂの一方の端部が当接され、その当接端部が補強部材６４Ａ、６４Ｂを介してボルト６５により支持部材６２Ａ、６２Ｂに固定されている。なお、テンション部材６１Ａ、６１Ｂには、水平方向に剛性があり、水平方向の真直度、ヨーイング精度に優れた板バネを使用した。なお、ステージ３０のＸ軸方向両端部は、前記ステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂ、或いはステージ用Ｙ軸リニアガイドレール２５Ａ、２５Ｂの上方に位置する。

一方、テンション部材６１Ａ、６１Ｂの他方の端部には連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂが当接され、その当接端部が補強部材６４Ａ、６４Ｂを介してボルト６５により固定されている。更に、連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂが、ステージ３０と略同形の平面形状を有する連結補強部材６３の上端部にボルト６５を介して取付けられている。なお、連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂは上下方向に移動可能に連結補強部材６３に取付けられているが、その取付構造については後段に詳述する。

連結補強部材６３の上端部は、前記ステージ３０と同等の正方形の平面を有し、中央部に開口部６３Ｄが開設されている。この開口部６３Ｄは、ステージ３０の形状に合わせたもので、これはステージ３０に設置する装置がステージ３０の上面から下方に突出した形状のものである場合を想定し、これとの干渉をさけるために開口しているのであり、このような必要がなければ開口部６３Ｄは必ずしも設けなくてもよい。

連結補強部材６３のＸ軸方向両端部の中央部下面からは、夫々、下向きの脚部６３Ａが突設されている。また、各脚部６３Ａの下端部は拡幅されてフランジ部６３Ｂとなっている。このフランジ部６３Ｂには貫通孔６３Ｃが穿設され、各貫通孔６３Ｃに貫通されたボルト６７が前記ステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂに螺合し締付けられて、脚部６３Ａを介してステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂに連結補強部材６３が取付けられている。換言すれば、２つのステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂは連結補強部材６３によって連結され、ステージ３０にも連結されている。

また、図６、図７に示すように、前記連結補強部材６３の連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂ取付部のＹ軸方向両側には、当該連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９ＢのＹ軸方向への取付位置を規制する板バネ取付部材位置決め突子６３Ｅが突設されている。また、連結補強部材６３の連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂ取付部には、前記ボルト６５を螺合するためのネジ孔６３Ｆが形成されており、連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂのネジ孔６３Ｆに対向する位置にはボルト６５のネジ部を挿通するための長孔６０が開設されている。この長孔６０は、図の上下方向、即ちＺ軸方向に長手な長円断面を有する。従って、連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂは板バネ取付部材位置決め突子６３ＥによってＹ軸方向への位置を規制されながら、ボルト６５のネジ部の位置を長孔６０内で移動させることにより、Ｚ軸方向、即ち図の上下方向に取付位置（高さ）を調整することができる。この連結補強部材用板バネ取付部材５９Ａ、５９ＢのＺ軸方向への取付位置調整は、即ちテンション部材６１Ａ、６１ＢのＺ軸方向への取付位置調整であり、それはテンション部材６１Ａ、６１Ｂによるステージ３０の支持高さ調整となる。

本実施形態の位置決め装置で、ステージ３０のＸ軸方向の位置決めを行う場合には、Ｘ軸モータ１７を駆動させてＸ軸ボールネジ軸１６を回転させると、Ｘ軸ボールネジナット１５がＸ軸ボールネジ軸１６に沿って移動し、これに伴ってステージ３０がＸ軸方向に移動される。ステージ３０がＸ軸方向の所定位置に到達したらＸ軸モータ１７を停止すればよい。また、ステージ３０のＹ軸方向の位置決めを行う場合には、Ｙ軸モータ３７を駆動させてＹ軸ボールネジ軸３６を回転させると、Ｙ軸ボールネジナット３５がＹ軸ボールネジ軸３６に沿って移動し、これに伴ってステージ３０がＹ軸方向に移動される。ステージ３０がＹ軸方向の所定位置に到達したらＹ軸モータ３７を停止すればよい。

この際、本実施形態のように第１スライダ１２の上方に第２スライダ１３を配設して２つのスライダ１２、１３を上下に階層構造とする場合、ステージ３０から遠い下方の第１スライダ１２の運動誤差（真直度）と、ステージ３０に近い上方の第２スライダ１３の運動誤差（真直度）とは異なる（真直度の干渉）。夫々のスライダの運動誤差（真直度）は、それらを支持するリニアガイドレールやリニアガイドベアリングの加工精度並びに組立精度、スライダ自体の加工精度、ステージなどの質量によるスライダの撓みなどに影響される。また、装置全体の小型化などの目的のために、第２スライダ１３に対しては計４個のステージ用Ｘ軸リニアガイドベアリング３２Ａ、３２Ｂでステージ３０が支持されて剛性を高めやすいのに対し、第１スライダ１２に対しては計２個のステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂでステージ３０が支持されているだけなので剛性を高めにくい。そこで、本実施形態では、第１スライダ１２とステージ３０との間にテンション部材６１Ａ、６１Ｂを介装し、第１スライダ１２の運動誤差（真直度）が及ぼすステージ３０の移動誤差を吸収することができる。

また、第１スライダ１２上に設けられ、ステージ３０のＹ軸方向への移動をガイドするステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂを連結補強部材６３によって連結したことにより、個々のステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング３１Ａ、３１Ｂの運動誤差を抑制してステージ３０のＹ軸方向への動剛性を向上することができる。
更に、本実施形態では、テンション部材６１Ａ、６１ＢのＺ軸方向への取付位置、即ちテンション部材６１Ａ、６１Ｂによるステージ３０の支持高さを調整可能とした。本実施形態の場合、第２スライダ１３は第１スライダ１２の上方に配設されているため、第２スライダ１３はベース１１から遠く、且つ両端部のみがＹ軸リニアガイドレール４２Ａ、４２Ｂ、Ｙ軸リニアガイドベアリング４３Ａ、４３Ｂによって支持されている。そして、第２スライダ１３のＸ軸方向中央部にはステージ３０の質量が作用する。このため、第２スライダ１３には撓みが生じやすく、ステージ３０のＸ軸方向への移動誤差が生じる。

本実施形態では、テンション部材６１Ａ、６１ＢのＺ軸方向、即ち上下方向への取付位置、即ちステージ３０の支持高さを調整することにより、第２スライダ１３に係るステージ３０の荷重配分を調整することができる。即ち、ステージ３０が重い（質量が大きい）ほど、テンション部材６１Ａ、６１Ｂの取付位置（高さ）を上方向とすることで、第２スライダ１３に係るステージ３０の荷重配分を小さくすることができ、これにより第２スライダ１３に生じる撓みを小さくすることができる。

その際、例えば第２ステージ１３に係る荷重をバネばかりなどの測定器で測定しながら、前記連結補強部材側板バネ取付部材５９Ａ、５９ＢのＺ軸方向、即ち上下方向の位置（高さ）を調整し、測定される第２ステージ１３の荷重が所定値になったところで連結補強部材側板バネ取付部材５９Ａ、５９Ｂを連結補強部材６３に固定するようにするのが望ましい。なお、連結補強部材側板バネ取付部材５９Ａ、５９ＢのＺ軸方向、即ち上下方向への取付位置調整機構は前記に限定されるものではなく、例えばネジの推力を用いて連結補強部材側板バネ取付部材が上下方向に移動されるような構造でもよいし、連結補強部材側板バネ取付部材を下方から支持する支持部との間に楔を抜き差しできるような構造でもよい。また、目的はステージ３０を支持するテンション部材６１Ａ、６１ＢのＺ軸方向、即ち上下方向への取付位置調整であるから、テンション部材６１Ａ、６１Ｂの取付位置そのものを上下方向に調整できるような構造でもよい。

なお、前記実施形態では、テンション部材６１Ａ、６１Ｂの連結補強部材６３への取付高さを調整することでテンション部材６１Ａ、６１Ｂによるステージ３０の支持高さを調整する構成としたが、テンション部材６１Ａ、６１Ｂのステージ３０への取付高さを直接調整することでテンション部材によるステージの支持高さを調整することもできるのはいうまでもない。

また、前記実施形態では、便宜上、下方のスライダ、即ち第１スライダ１２をＸ軸方向のスライダとし、上方のスライダ、即ち第２スライダ１３をＹ軸方向のスライダとしたが、２つのスライダは直交２方向の夫々の移動方向の何れかであればよいので、例えば直交２方向を表すＸ軸方向、Ｙ軸方向が何れであってもよいのはいうまでもない。

１は位置決め装置
１０は第１位置決め装置
１１はベース
１２は第１スライダ
１３は第２スライダ
１４は第１駆動装置
１５はＸ軸ボールネジナット
１６はＸ軸ボールネジ軸
１７はＸ軸モータ
１８はＸ軸カップリング
１９はＸ軸ボールネジ軸支持部
２０は第２位置決め装置
２１はＸ軸ボールネジ軸支持部
２２Ａ、２２ＢはＸ軸リニアガイドレール
２３Ａ、２３ＢはＸ軸リニアガイドベアリング
２４は開口部
２５Ａ、２５Ｂはステージ用Ｙ軸リニアガイドレール
３０はステージ
３１Ａ、３１Ｂはステージ用Ｙ軸リニアガイドベアリング
３２Ａ、３２Ｂはステージ用Ｘ軸リニアガイドベアリング
３４は第２駆動装置
３５はＹ軸ボールネジナット
３６はＹ軸ボールネジ軸
３７はＹ軸モータ
３８はＹ軸カップリング
３９はＹ軸ボールネジ軸支持部
４１はＹ軸ボールネジ軸支持部
４２Ａ、４２ＢはＹ軸リニアガイドレール
４３Ａ、４３ＢはＹ軸リニアガイドベアリング
４４は開口部
４５Ａ、４５Ｂはステージ用Ｘ軸リニアガイドレール
５９Ａ、５９Ｂはステージ用板バネ取付部材
６０は長孔
６１Ａ、６１Ｂはテンション部材
６２Ａ、６２Ｂは連結補強部材用板バネ取付部材
６３は連結補強部材
６３Ｅは板バネ取付部材位置決め突子
６３Ｆはネジ孔
６４Ａ、６４Ｂは補強部材
６５はボルト
６７はボルト

Claims (5)

1. 第１方向に沿って互いに平行に設けられた二以上の第１レール部材及び前記第１方向と直行する第２方向に沿って互いに平行に設けられた二以上の第２レール部材を備えた固定部と、前記第１レール部材に沿って移動可能に支持された第１スライダと、前記固定部に対して前記第１スライダを第１レール部材に沿って移動し且つ位置決めする第１位置決め装置と、前記第２レール部材に沿って移動可能に支持され且つ前記第１スライダに対して上方に配設された第２スライダと、前記固定部に対して前記第２スライダを第２レール部材に沿って移動し且つ位置決めする第２位置決め装置と、前記第１スライダ上で前記第２方向に移動自在に支持され且つ前記第２スライダ上で前記第１方向に移動自在に支持されたステージと、前記ステージを支持するために当該ステージと前記第１スライダとの間に介装され且つ当該第１スライダの移動誤差を吸収するテンション部材とを備え、前記テンション部材による前記ステージの支持高さを調整可能とし、前記ステージは複数のガイド部材を介して前記第１スライダ上で前記第２方向に移動自在に支持され、前記複数のガイド部材は連結補強部材で連結されると共に当該連結補強部材は前記テンション部材を介してステージに連結され、当該テンション部材の前記連結補強部材への取付高さ又は当該テンション部材の前記ステージへの取付高さを調整することでテンション部材によるステージの支持高さを調整可能とした位置決め装置。
2. 前記テンション部材によるステージの支持高さは、ステージの質量が大きいほど、支持高さを高くする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記請求項１又は２に記載の位置決め装置を備えた半導体露光装置。
4. 前記請求項１又は２に記載の位置決め装置を備えた組立・検査装置。
5. 前記請求項１又は２に記載の位置決め装置を備えた精密工作機械。

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